翅片管式蒸发器结霜性能的仿真与实验研究

摘要:建立了结霜条件下翅片管蒸发器空气侧流动和换热的分布参数仿真模型,模型考虑了蒸发器结构、霜 层厚度以及湿空气状态等参数在气流方向的沿程变化。对冰箱冷冻室蒸发器结霜条件下的动态性能进行了 试验研究和数值模拟。结果表明,蒸发器结霜过程中的结霜量、能量传递系数和空气侧压降的计算值和试验值 吻合良好,证明模型可以应用于翅片管蒸发器结霜性能的正确预测和优化设计分析。

0引言

小型间冷式制冷装置中翅片管蒸发器的结霜 是很常见的现象。结霜一方面减少了通流面积, 另一方面霜层的热阻恶化了蒸发器的传热效果。 由于霜层的形成和增长对低温条件下蒸发器的性 能有很大影响,建立准确通用的仿真模型来预测 霜层的生长就显得非常重要。

对于翅片管换热器结霜条件下的性能,国内 外学者进行了一些实验和理论研究,包括表面处 理对结霜的影响以及不同环境和换热结构对结霜 的影响等[1-3]。Rite和Crawford[1]研究了不同环 境参数对霜层形成的影响,得出结霜速度会随着 空气流速和相对湿度的增加而增加的结论。

Thomas等[2]采用激光扫描技术测量了霜层厚度 和翅片上霜层的分布。在仿真模拟方面[4-8],大多 数研究是从集中参数模型出发的[4-5],即不考虑换 热器翅片间距、管排布置的变化,也不考虑结霜量 和结霜厚度的沿程变化,将换热器作为一个整体 对待,计算总体的换热性能和结霜性能,因而计算 结果仅适用于特定的换热器,不具有通用性。 Tsokao等[6]考虑了霜层厚度沿空气流向的变化 建立了分布参数模型,但模型没有考虑蒸发器的 结构变化。Dong等[7]对翅片管换热器结霜建立了 动态模型,考虑了湿空气沿程的状态变化并进行 了实验验证。姚杨等[8]也建立了空气源热泵换热 器空气侧结霜条件下的分布参数模型,耦合了换热器子模型和霜层子模型,分相考虑了管内流体 以及管外空气传热传质,模型有一定的精确性,但 计算量比较大。

应用热质传递理论,本文建立翅片管蒸发器 空气侧传热流动的分布参数模型,考虑了换热器 结构和霜层厚度、湿空气状态的沿程变化。并对一 台冰箱蒸发器进行了仿真和试验研究。

1结霜动态分布参数模型的建立

采用能量和质量传递方程模拟翅片管蒸发器 空气侧结霜过程的传热传质。模拟时假设:

1)结霜过程是准稳态过程,即在一个时间步 长内为稳态;

2)每一个微元体内各热物性参数为常量;

3)霜的热传导率只与霜密度有关;

4)在凝露、结霜时,认为与霜层表面接触的 空气处于饱和状态;

5)空气在管排间不混合,在一个微元体内认 为霜层厚度均匀;

6)由于翅片和管壁的热阻远小于霜的热阻 (一般要小2~3个数量级),因而管壁和翅片在 厚度方向上的导热忽略不计。

1.1换热模型

沿气流方向将蒸发器按管排分成各个控制 体,每一排管及其翅片作为一个控制单元,上一控 制单元的空气出口状态作为下一控制单元空气进 口状态,如图1所示。这样划分控制体后,模型就